СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОРОД ОТВАЛОВ Российский патент 2020 года по МПК E21C41/32 A01B79/02 B09C1/00 C09K17/40 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к области рекультивации и утилизации пород отвалов и может быть использовано в горной промышленности и сельском хозяйстве при получении конструктозема (искусственно сконструированная почва, см. Постановление Правительства г. Москвы №623-ПП от 06-08. 2000 г.)).

Уровень техники

Породы строительных котлованов, выбираемых ниже гумусового горизонта почв, и разрезов добывающих предприятий представляют собой бесструктурную массу, имеют плотную упаковку частиц и не обладают плодородием. Состав отвальных пород нестабилен по физико-химическим свойствам, поэтому их использование весьма затруднено. Накапливание питательных веществ для растений длится многие годы. Поэтому задача создания способа переработки, рекультивации безжизненных пород отвалов строительных котлованов и разрезов добывающих предприятий в искусственную почву (конструктозем), на которой может произрастать культурная растительность, и годную для выращивания сельскохозяйственных культур, представляется крайне важной.

Наиболее распространенный известный способ рекультивации - это насыпка на промышленный породный отвал плодородного слоя почвы [Моторина Л.В. Опыт рекультивации нарушенных промышленностью ландшафтов в СССР и зарубежных странах (Обзорная информация) - М.: Изд-во ВНИИТЭИСХ, 1975. - 84 с.]. Если отвал состоит из токсичной породы, то предварительно насыпается подстилающий слой (обычно глина) [Ижевская Т.П., Чеклина В.Н. Сельскохозяйственное освоение отвалов при нанесении плодородного почвенного слоя на токсичный грунт в Подмосковном бассейне // Рекультивация промышленных пустошей. - М., 1972. - С. 19-41.].

Такой способ рекультивации требует достаточно больших затрат на добычу, доставку и отсыпку подстилающего слоя и плодородного слоя. Однако известно, что со временем практически любой породный отвал начинает зарастать сам по себе (эффект самозарастания). Тем не менее, данный способ рекультивации отвальных пород обеспечивает не переработку, а изоляцию отвальных пород насыпным культурным слоем почвы.

Известен способ рекультивации отвалов и полигонов промышленных отходов (патент РФ №2509457), включающий покрытие склонов почвенным субстратом путем равномерного сдвигания его с горизонтальных поверхностей, покрытие горизонтальных участков почвенным субстратом путем разравнивания, посадку саженцев деревьев и кустарников, посев семян травянистых растений, при этом в качестве почвенного субстрата применяют смесь материала с высоким содержанием питательных веществ (осадки сточных вод, перегной, торф, навоз) и фосфогипса при соотношении компонентов смеси 2:1 по объему, смесь перемешивают фрезерованием на горизонтальном полотне, покрытие поверхности склонов полученной смесью толщиной 25-30 см проводят равномерным сдвиганием на склоны, затем формируют сплошной покровный слой толщиной 15-20 см на горизонтальных поверхностях, слой почвенного субстрата сверху покрывают мульчирующим слоем песка толщиной 1-3 см с помощью разбрасывателя, на заключительном этапе рекультивации по всей поверхности высаживают саженцы быстрорастущих деревьев и кустарников с развитой корневой системой и надземной частью высотой 0,5-1,0 м с последующим подсевом семян травянистых растений.

Данный способ не обеспечивает процесс переработки отвальных пород в конструктозем, а позволяет рекультивировать отвалы и полигоны промышленных отходов уже имеющимся почвенным субстратом.

Известен способ рекультивации земель (заявка на изобретение РФ №95113954), включающий формирование почвенного слоя, внесение в грунт после предварительного боронования сложной травосмеси олиготрофной природы с широким экологическим диапазоном.

Данный способ рекультивации направлен на преобразование поверхностных слоев почвы, а не на переработку отвальных пород в конструктозем.

Известен способ переработки отвальных металлургических шлаков, раскрытый в патенте РФ №2645629. Способ включает дробление отвального металлургического шлака, извлечение крупного скрапа, измельчение шлака до крупности менее 5 мм, магнитную сепарацию с помощью последовательно расположенных сепараторов, работающих на постоянных магнитах, а затем с помощью последовательно расположенных сепараторов, работающих на электромагнитах, для довыборки из предварительно отсепарированного шлака металлов и/или сплавов металлов, и/или оксидов металлов и их рассортировки по составу. После проведения магнитной сепарации с помощью сепаратора, работающего на постоянных магнитах, немагнитную часть шлака для довыборки металлов и/или сплавов металлов, и/или оксидов металлов подвергают разделению на слои из частиц одинаковой плотности.

Данное решение направлено на решение задачи извлечения из металлургических шлаков, оставшихся в них частиц металлов и не обеспечивает их переработки в конструктозем.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ переработки золошлаковых отходов из отвалов системы гидрозолоудаления тепловых электростанций, раскрытый в патенте РФ №2363885. Способ включает механическое транспортирование отходов из отвала, их разжижение, разделение разжиженной золошлаковой смеси по фракциям с требуемой для последующей утилизации крупностью золошлаковых частиц, по меньшей мере, на два потока, сгущение каждого потока с отделением полых микросфер и частиц несгоревшего угля, а также осветленной воды, и подачу обезвоженной массы каждой фракции на соответствующую утилизацию.

Данный способ обеспечивает реализацию только подготовительных работ к дальнейшей утилизации золошлаковых отходов.

Раскрытие изобретения

Основной проблемой при проведении рекультивационных работ является достаточно большой объем затрат на рекультивацию, обеспечение задержания и аккумулирования дождевой и талой воды в верхнем горизонте породы отвала, которая необходима для формирования биопочвенного сообщества, а также проблема утилизации отходов сельского хозяйства, перерабатывающей и деревообрабатывающей промышленности.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в преодолении недостатков, присущих указанным аналогам и прототипу за счет создания способа утилизации пустых безжизненных пород отвалов строительных котлованов и разрезов добывающих предприятий путем переработки их в конструктозем, пригодный для покрывного слоя городских газонов и использования в сельскохозяйственном производстве.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности оструктуривания и насыщения безжизненной породы органическим веществом и полезными микроэлементами, что способствует повышению ее плодородия.

Поставленная техническая проблема решается тем, что в способе утилизации пород отвалов, согласно техническому решению, последовательно выполняют следующие шаги:

а) утилизируемую породу подвергают рыхлению с последующим удалением непригодных для утилизации включений посредством просеивания,

б) смешивают подготовленную таким образом породу с торфогелем из расчета на 1 м³ породы до 60-70 л водного раствора торфогеля при механическом перемешивании смеси,

в) смесь сушат до образования монолитной массы с последующим ее дроблением до образования структурных фракций конструктозема размером не более 7-10 мм. При формировании смеси на шаге б) дополнительно вводят биодобавки в количестве, определяемом гранулометрическим составом породы и уровнем ее кислотности. Механическое перемешивание смеси осуществляют до полного впитывания торфогеля в породу.

Технический результат достигается за счет насыщения осадочной горной породы почвенными модификаторами, основным из которых является торфогель, а также, дополнительно, химическими препаратами, нейтрализующими вещества, угнетающие развитие растений. Такое смешивание с торфогелем создает условия для ускоренного почвообразования.

Торфогель - удобрение со стимулирующим эффектом и фунгицидной активностью, является продуктом кавитационной обработки натурального торфа, в котором при этом переводятся в активную водорастворимую форму соединения азота, фосфора, калия, микроэлементы, а гуминовые кислоты из нерастворимых переведены в растворимые одновалентные соли. Торфогель обладает выраженными адгезионными свойствами. Впитываясь в частицы породы, он склеивает их, в результате чего при высыхании породы образуется твердая, но вместе с тем легко разрушаемая корка или крупные агрегаты почвогрунта.

Утилизированные таким образом породы могут быть использованы как покрывной слой для городских газонов и искусственных откосов, так и для наполнения теплиц и рекультивации отвалов горнодобывающих предприятий.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 приведена технологическая схема реализации заявляемого способа.

Позициями обозначены:

1. Рыхлитель;

2. Просеивающее устройство;

3. Дозатор для породы;

4. Смеситель.

5. Емкость для торфогеля;

6. Дозатор торфогеля;

7. Емкость для дополнительных химических и биологических препаратов;

8. Дозатор для химических и биологических препаратов;

9. Сушильный агрегат(платформа);

10. Установка для формирования зернистой структуры конструктозема (измельчитель).

Осуществление изобретения

Порода из отвалов, поступающая на утилизацию, имеет комковатую структуру и может содержать вещества, угнетающие развитие растений. Предварительно проводят физико-химический анализ породы, для чего отбирают соответствующие образцы. В лаборатории устанавливают присутствие в породе веществ, угнетающих развитие растений и подбирают химические препараты, нейтрализующие такие вещества и пригодные для дальнейшего внесения в породу. Так, для пород с кислой средой рекомендуют определенный количественный состав известковых препаратов (СаСО₃), а для щелочной среды - окисляющие препараты (CaSO₄⋅2H₂O). Кроме того, для каждой культуры подбирают свой агрохимический фон, устанавливая нормы внесения в породу торфогеля с учетом экономической целесообразности и количественной достаточности.

Заявляемый способ может быть реализован, например, с использованием системы, включающей агрегаты, представленные на фиг. 1 или с использованием иных устройств, обеспечивающих необходимое функциональное воздействие на породу.

Поступающую на переработку породу имеющую комковатую форму с плотно упакованными частицами загружают в рыхлитель 1, рыхлят и просеивают в просеивающем устройстве 2, превращая в легкодоступную массу для смачивания торфогелем. Рыхлитель имеет две цилиндрические фрезы, вставленные одна в другую, и вращающиеся навстречу друг другу со скоростью 80-100 оборотов в минуту. Просеивающее устройство имеет вибрационные сита с наклонной рабочей поверхностью для сброса крупных непригодных к переработке камней. Размер ячеек сита 15-25 мм. Вибрацию просеивающего устройства вызывает установленный на его корпусе вращающийся маховик с неуравновешенной массой. Вибрационное воздействие на зернистую структуру породы разрушает ее на более мелкие фракции.

Разрыхленную и просеянную таким образом породу переносят в дозатор 3 для загрузки в смеситель 4. Объем дозатора равен или кратен объему смесителя. Вместе с породой в смеситель из емкости 7 через дозатор 8 вносят минеральные и органические препараты, а из емкости 5 через дозатор 6 заливают 12% раствор торфогеля из расчета 60-70 литров на 1 м³. Для смешивания используют смесители промышленных образцов периодического действия для твердых сыпучих материалов. Смешивание продолжается до тех пор, пока порода полностью не впитает торфогель, и он потеряет способность смачивать сухие частицы породы. Породы, не смоченной торфогелем, остается около 15-20%. Она разделяет смоченную породу и препятствует образованию коркового слоя. Для просушки готовую смесь загружают в сушильный агрегат 9 или на сушильные платформы. Толщина слоя смеси на платформе составляет 10-12 см. Пол платформы образует стальной лист, к которому снизу приварены детали каркаса. Каркас совместно со стальным листом образует систему воздуховодов, в который подают горячий воздух с температурой 60-75. Сушка продолжается до достижения стадии «физической спелости», которую фиксируют по достижению 12-15% влажности породы в зависимости от гранулометрического состава. Высушенную смесь подают в агрегат- измельчитель 10. Агрегат имеет подвижную плоскую поверхность, над которой на расстоянии 3,2 и 1 см, соответственно, расположены 3-4 катка. Зазор между последним катком и подвижной плоскостью составляет 7-10 мм. Катки принудительно вращаются. Линейная скорость катков в 1,5-2 раза больше скорости движения плоскости. Подвижную плоскость образуют шарнирно соединенные вертикально замкнутые перфорированные пластины. Величина перфорации 7-10 мм. Крупные агрегаты смеси, попадая между движущейся плоскостью и катками одновременно сдавливаются, растираются и продавливаются сквозь перфорацию. Готовый конструктозем переносят на склад, из которого затем отправляют на реализацию потребителям.

Пример конкретного выполнения

Для реализации заявляемого способа утилизации пустой безжизненной породы проведены экспериментальные исследования эффективности заявляемого способа. Были взяты образцы: с трехметровой глубины городского строительного котлована и отвала вскрышной породы добывающего предприятия.

Проведенные химические анализы пород показали, что порода строительного котлована (образец А) - лессовидные, покровные суглинки тяжелого гранулометрического состава, имеет слабощелочную реакцию (рН до 8,5-9), для нейтрализации которой необходимо проводить гипсование из расчета 0,6-0,8 кг гипса на 1 м³ породы.

Порода отвала разреза добывающего предприятия (образец Б) - моренные суглинки тяжелого гранулометрического состава, имеют повышенную кислотность (рН 4,5-5,5). Кислотность нейтрализуется известкованием, нормы извести которой устанавливаются исходя из величины гидролитической кислотности. Для породы образца Б требуется 1-2 кг извести (СаСО₃) на 1 м³.

С утилизированной породой были проведены все операции по переработке ее в искусственную почву-конструктозем в соответствии с заявляемым способом. Для реализации способа было использовано доступное для кафедры «Эрозии и охраны почв» факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова оборудование. Рыхление породы проводили в два этапа. В начале садовым инструментом разбивали комки породы, а затем ее загружали в бытовую бетономешалку. В нее же погружали стальные предметы для ускоренного дробления кусковой структуры. Разрыхленную породу просеивали через сито с диаметром ячеек 7 мм.

На опытном поле было подготовлено 30 делянок размером 50x50 см окантованных досками шириной 15 см. Для исследований были выбраны следующие культуры: газонная трава, пшеница, томаты, кукуруза. Конструктозем по составу для каждой культуры готовили отдельно, разделив их на три группы: 60, 65, 70 л/м³ 12% торфогеля. Рыхлую породу в объеме 37,5 л загружали в бетономешалку и заливали в нее 22,5 л торфогеля (что соответствовало 60 л на 1 м³), 24,4 л (65 л на 1 м³) и 25,3 л (70 л на 1 м³). Вместе с ними загружали химические препараты (см. в Таблице 1).

Загруженный состав перемешивали в течение 3 мин, после чего смесь выгружали на стальные листы для просушки. Листы снизу подогревали электрообогревателями. Температуру нагрева листов поддерживали 60-70°С. Высушенная смесь представляла собой неоднородные агрегаты искусственной почвы, которые измельчали до агрономически ценных фракций (0,5-5 мм). Измельчение проводили на стальном перфорированном листе размером 50×50 см толщиной 4 мм. Диаметр отверстий 7 мм. На лист высыпали высушенную смесь и растирали ее плоской стальной растиркой размером 20×12 см. Растирку перемещали по рейкам высотой 6 мм с усилием прижима 8 кг. При перемещении растирка сдавливала агрегаты, растирала их и продавливала через перфорацию. Под каждую культуру было выделено четыре делянки - по две делянки для породы каждой группы (А и Б). Делянки были заполнены подготовленным для отведенной культуры конструктоземом и на них были посеяны семена выбранных культур. Четыре контрольные делянки были заполнены рыхлой породой, необработанной торфогелем и минеральными препаратами (удобрениями). После посева и в последующие дни делянки в одинаковой мере поливали водой. В скором времени семена проросли на всех делянках. Растения хорошо развивались в течение всего вегетационного периода, в конце которого газонная трава дала семена, пшеница и кукуруза - зерна, а томаты дали урожай плодов. На контрольных делянках семена в начале эксперимента набухли, но затем все погибли.

Изобретение относится к области рекультивации и утилизации пород отвалов и может быть использовано в горной промышленности и сельском хозяйстве при получении конструктозема. Технический результат заключается в обеспечении возможности оструктуривания и насыщения безжизненной породы органическим веществом и полезными микроэлементами. Способ характеризуется тем, что последовательно выполняют следующие шаги: утилизируемую породу подвергают рыхлению с последующим удалением непригодных для утилизации включений посредством просеивания, смешивают подготовленную таким образом породу с торфогелем из расчета на 1 м³ породы до 60-70 л водного раствора торфогеля при механическом перемешивании смеси, смесь сушат до образования монолитной массы с последующим ее дроблением до образования структурных фракций конструктозема размером не более 7-10 мм. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ утилизации пород отвалов, характеризующийся тем, что последовательно выполняют следующие шаги:

а) утилизируемую породу подвергают рыхлению с последующим удалением непригодных для утилизации включений посредством просеивания,

б) смешивают подготовленную таким образом породу с торфогелем из расчета на 1 м³ породы до 60-70 л водного раствора торфогеля при механическом перемешивании смеси,

в) смесь сушат до образования монолитной массы с последующим ее дроблением до образования структурных фракций конструктозема размером не более 7-10 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании смеси на шаге б) дополнительно вводят биодобавки в количестве, определяемом гранулометрическим составом породы и уровнем ее кислотности.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическое перемешивание смеси осуществляют до полного впитывания торфогеля в породу.